Bagaimana Surge Protective Device (SPD) berfungsi

 

Keupayaan SPD untuk membatasi voltan berlebihan pada rangkaian pengedaran elektrik dengan mengalihkan arus lonjakan adalah fungsi komponen pelindung lonjakan, struktur mekanik SPD, dan sambungan ke rangkaian pengedaran elektrik. SPD bertujuan untuk membataskan voltan sementara dan mengalihkan arus lonjakan, atau kedua-duanya. Ia mengandungi sekurang-kurangnya satu komponen tidak linear. Dalam istilah yang paling sederhana, SPD dimaksudkan untuk membatasi voltan berlebihan sementara dengan tujuan untuk mencegah kerosakan peralatan dan waktu henti kerana lonjakan voltan sementara mencapai peranti yang mereka lindungi.

Sebagai contoh, pertimbangkan kilang air yang dilindungi oleh injap pelepasan tekanan. Injap pelepasan tekanan tidak melakukan apa-apa sehingga nadi tekanan berlebihan berlaku dalam bekalan air. Apabila itu berlaku, injap terbuka dan melepaskan tekanan tambahan, sehingga tidak sampai ke roda air.

Sekiranya injap pelepas tidak ada, tekanan yang berlebihan dapat merosakkan roda air, atau mungkin hubungannya dengan gergaji. Walaupun injap pelepasan berada di tempat dan berfungsi dengan baik, beberapa sisa nadi tekanan masih akan mencapai roda. Tetapi tekanan akan cukup berkurang untuk tidak merosakkan roda air atau mengganggu operasinya. Ini menerangkan tindakan SPD. Mereka mengurangkan peralihan ke tahap yang tidak akan merosakkan atau mengganggu operasi peralatan elektronik yang sensitif.

Teknologi yang Digunakan

Teknologi apa yang digunakan dalam SPD?

Dari IEEE Std. C62.72: Beberapa komponen pelindung lonjakan yang biasa digunakan dalam pembuatan SPD adalah logam oksida varistors (MOVs), avalanche breakdown diodes (ABDs - dahulunya dikenal sebagai silikon avalanche diodes atau SADs), dan tabung pelepasan gas (GDTs). MOV adalah teknologi yang paling biasa digunakan untuk melindungi litar kuasa AC. Penarafan arus gelombang MOV berkaitan dengan luas keratan rentas dan komposisinya. Secara amnya, semakin besar luas keratan rentas, semakin tinggi penilaian arus lonjakan peranti. MOV umumnya berbentuk geometri bulat atau segi empat tepat tetapi terdapat dalam banyak dimensi standard antara 7 mm (0.28 inci) hingga 80 mm (3.15 inci). Peringkat arus lonjakan komponen pelindung lonjakan ini sangat berbeza dan bergantung kepada pengeluarnya. Seperti yang dibincangkan sebelumnya dalam klausa ini, dengan menghubungkan MOV dalam array selari, nilai arus lonjakan dapat dihitung dengan hanya menambahkan penilaian arus lonjakan MOV individu bersama-sama untuk mendapatkan penilaian arus lonjakan array. Dengan berbuat demikian, pertimbangan harus diberikan kepada penyelarasan ciri operasi MOV yang dipilih.

Varistor Logam Oksida - MOV

Terdapat banyak hipotesis mengenai komponen apa, topologi apa, dan penggunaan teknologi tertentu menghasilkan SPD terbaik untuk mengalihkan arus lonjakan. Daripada membentangkan semua pilihan, lebih baik perbincangan mengenai peringkat arus lonjakan, Penarafan Semasa Pelepasan Nominal, atau keupayaan arus lonjakan berkisar pada data ujian prestasi. Terlepas dari komponen yang digunakan dalam reka bentuk, atau struktur mekanik tertentu yang digunakan, yang penting ialah SPD mempunyai penarafan arus lonjakan atau Peringkat Semasa Pelepasan Nominal yang sesuai untuk aplikasi.

Berikut adalah penerangan yang lebih lengkap mengenai komponen ini. Komponen yang digunakan dalam SPD sangat berbeza. Berikut adalah contoh komponen tersebut:

  • Varistor logam oksida (MOV)

Biasanya, MOV terdiri daripada badan berbentuk zink oksida sintered berbentuk bulat atau segi empat tepat dengan bahan tambahan yang sesuai. Jenis lain yang digunakan termasuk bentuk tiub dan struktur pelbagai lapisan. Varistor mempunyai elektrod zarah logam yang terdiri daripada aloi perak atau logam lain. Elektrod mungkin telah digunakan pada badan dengan penyaringan dan penyinteran atau dengan proses lain bergantung pada logam yang digunakan. Varistor juga sering kali mempunyai wayar atau kabel tab atau beberapa jenis penamatan lain yang mungkin disolder ke elektrod.

Mekanisme konduksi asas MOV dihasilkan dari persimpangan semikonduktor di sempadan butiran zink oksida yang terbentuk semasa proses pensinteran. Varistor boleh dianggap sebagai peranti multi-simpang dengan banyak butir yang bertindak dalam kombinasi siri-selari antara terminal. Pandangan keratan rentas skematik dari varistor khas ditunjukkan dalam Rajah 1.

Penggambaran skematik mikrostruktur MOV

Varistor mempunyai sifat mengekalkan perubahan voltan yang agak kecil di terminal mereka sementara arus lonjakan yang mengalir melaluinya bervariasi dalam beberapa dekad yang besar. Tindakan tidak linier ini memungkinkan mereka mengalihkan arus lonjakan ketika disambungkan secara shunt melintasi garisan dan menghadkan voltan melintasi garisan ke nilai yang melindungi peralatan yang disambungkan ke garis itu.

  • Diod Pecahan Avalanche (ADB)

Peranti ini juga dikenali sebagai silikon avalanche diode (SAD) atau penekan voltan sementara (TVS). Diod pemecahan simpang PN, dalam bentuk asasnya, adalah persimpangan PN tunggal yang terdiri daripada anod (P) dan katod (N). Lihat Rajah 2a. Dalam aplikasi litar DC, pelindung dibalikkan secara terbalik sehingga potensi positif diterapkan pada sisi katod (N) peranti. Lihat Rajah 2b.

Rajah 2 Bentuk asas avalanche diod

Diod longsor mempunyai tiga kawasan operasi, 1) bias maju (impedans rendah), 2) keadaan off (impedans tinggi), dan 3) pecahan bias terbalik (impedans relatif rendah). Kawasan-kawasan ini dapat dilihat pada Gambar 3. Dalam mod bias maju dengan voltan positif pada wilayah P, diod mempunyai impedans yang sangat rendah setelah voltan melebihi voltan diod bias maju, VFS. VFS biasanya kurang dari 1 V dan ditentukan di bawah. Keadaan mati bermula dari 0 V hingga tepat di bawah VBR positif di rantau N. Di wilayah ini, satu-satunya arus yang mengalir adalah arus kebocoran bergantung pada suhu dan arus terowong Zener untuk diod voltan kerosakan rendah. Kawasan pemecahan bias terbalik bermula dengan VBR positif di rantau N. Pada elektron VBR yang melintasi persimpangan dipercepat cukup oleh medan tinggi di kawasan persimpangan sehingga perlanggaran elektron mengakibatkan lata, atau longsoran, elektron dan lubang dibuat. Hasilnya adalah penurunan mendadak rintangan dioda. Kedua-dua kawasan pemecahan bias maju dan bias terbalik dapat digunakan untuk perlindungan.

Rajah 3 Ciri-ciri diod pemecahan simpang PN

Ciri elektrik dioda longsor secara intrinsik tidak simetri. Produk perlindungan diod longsor simetri yang terdiri dari persimpangan belakang ke belakang juga dihasilkan.

  • Tiub pelepasan gas (GDT)

Tiub pelepasan gas terdiri daripada dua atau lebih elektrod logam yang dipisahkan oleh jurang kecil dan dipegang oleh silinder seramik atau kaca. Silinder diisi dengan campuran gas mulia, yang menyala menjadi pelepasan cahaya dan akhirnya keadaan arka apabila voltan yang mencukupi dikenakan pada elektrod.

Apabila voltan yang meningkat secara perlahan melintasi jurang mencapai nilai yang ditentukan terutamanya oleh jarak elektrod, tekanan gas dan campuran gas, proses menghidupkan dimulakan pada voltan percikan (pecahan). Setelah percikan api berlaku, pelbagai keadaan operasi mungkin berlaku, bergantung pada litar luaran. Keadaan ini ditunjukkan dalam Rajah 4. Pada arus yang kurang daripada arus peralihan cahaya ke arka, terdapat kawasan cahaya. Pada arus rendah di kawasan cahaya, voltan hampir berterusan; pada arus cahaya tinggi, beberapa jenis tiub gas boleh memasuki kawasan cahaya yang tidak normal di mana voltan meningkat. Di luar kawasan cahaya yang tidak normal ini, impedans tiub pelepasan gas menurun di kawasan peralihan ke keadaan arka voltan rendah. Arus peralihan arka ke cahaya mungkin lebih rendah daripada peralihan cahaya ke arka. Ciri elektrik GDT, bersamaan dengan litar luaran, menentukan kemampuan GDT untuk padam setelah berlakunya lonjakan, dan juga menentukan tenaga yang hilang dalam arester semasa lonjakan.

Sekiranya voltan yang digunakan (misalnya sementara) naik dengan cepat, masa yang diperlukan untuk proses pembentukan ionisasi / arka mungkin membenarkan voltan sementara melebihi nilai yang diperlukan untuk pemecahan pada perenggan sebelumnya. Voltan ini ditakrifkan sebagai voltan pemecahan impuls dan secara amnya merupakan fungsi positif dari kadar kenaikan voltan yang digunakan (sementara).

Satu elektrod tiga ruang GDT mempunyai dua rongga yang dipisahkan oleh elektrod cincin tengah. Lubang di elektrod tengah membenarkan plasma gas dari rongga pengalir untuk memulakan konduksi di rongga lain, walaupun voltan rongga lain mungkin berada di bawah voltan percikan lebih.

Kerana tindakan beralih dan pembinaannya yang lasak, GDT dapat melebihi komponen SPD lain dalam kemampuan membawa arus. Banyak GDT telekomunikasi dapat dengan mudah membawa arus lonjakan setinggi 10 kA (bentuk gelombang 8/20 µs). Selanjutnya, bergantung pada reka bentuk dan ukuran GDT, arus lonjakan> 100 kA dapat dicapai.

Pembinaan tiub pelepasan gas sedemikian rupa sehingga mempunyai kapasitansi yang sangat rendah - umumnya kurang dari 2 pF. Ini membolehkan penggunaannya dalam banyak aplikasi litar frekuensi tinggi.

Semasa GDT beroperasi, mereka mungkin menghasilkan radiasi frekuensi tinggi, yang dapat mempengaruhi elektronik sensitif. Oleh itu, adalah bijak untuk meletakkan litar GDT pada jarak tertentu dari elektronik. Jaraknya bergantung pada kepekaan elektronik dan sejauh mana elektronik terlindung. Kaedah lain untuk mengelakkan kesannya adalah meletakkan GDT di kandang terlindung.

Rajah 4 Ciri khas voltamere GDT

Definisi untuk GDT

Jurang, atau beberapa jurang dengan dua atau tiga elektrod logam tertutup rapat sehingga campuran gas dan tekanan terkawal, yang dirancang untuk melindungi alat atau kakitangan, atau kedua-duanya, dari voltan sementara yang tinggi.

Or

Jurang atau jurang dalam media pembuangan tertutup, selain udara pada tekanan atmosfera, yang dirancang untuk melindungi alat atau personel, atau keduanya, dari voltan sementara yang tinggi.

  • Penapis LCR

Komponen ini berbeza-beza:

  • keupayaan tenaga
  • ketersediaan
  • kebolehpercayaan
  • kos
  • keberkesanan

Dari IEEE Std C62.72: Keupayaan SPD untuk membatasi voltan berlebihan pada rangkaian pengedaran elektrik dengan mengalihkan arus lonjakan adalah fungsi komponen pelindung lonjakan, struktur mekanik SPD, dan sambungan ke rangkaian pengedaran elektrik. Beberapa komponen pelindung lonjakan yang biasa digunakan dalam pembuatan SPD adalah MOV, SASD, dan tabung pelepasan gas, dengan MOV mempunyai penggunaan terbesar. Penarafan arus gelombang MOV berkaitan dengan luas keratan rentas dan komposisinya. Secara amnya, semakin besar luas penampang, semakin tinggi penilaian arus lonjakan peranti. MOV biasanya berbentuk geometri bulat atau segi empat tepat tetapi terdapat dalam banyak dimensi standard antara 7 mm (0.28 in) hingga 80 mm (3.15 in). Peringkat arus lonjakan komponen pelindung lonjakan ini sangat berbeza dan bergantung kepada pengeluarnya. Dengan menghubungkan MOV dalam array selari, penilaian arus lonjakan teoritis dapat dikira dengan hanya menambahkan penilaian semasa MOV individu bersama-sama untuk mendapatkan penilaian arus lonjakan array.

Terdapat banyak hipotesis mengenai komponen apa, topologi apa, dan penggunaan teknologi tertentu menghasilkan SPD terbaik untuk mengalihkan arus lonjakan. Daripada membentangkan semua hujah ini dan membiarkan pembaca menguraikan topik ini, lebih baik perbincangan mengenai penilaian arus lonjakan, Penarafan Semasa Pelepasan Nominal, atau keupayaan arus lonjakan berkisar pada data ujian prestasi. Terlepas dari komponen yang digunakan dalam reka bentuk, atau struktur mekanik tertentu yang digunakan, yang penting adalah SPD mempunyai penarafan arus lonjakan atau Peringkat Semasa Pelepasan Nominal yang sesuai untuk aplikasi dan, mungkin yang paling penting, bahawa SPD menghadkan sementara voltan berlebihan ke tahap yang mencegah kerosakan pada peralatan yang dilindungi memandangkan persekitaran lonjakan yang diharapkan.

Mod Operasi Asas

Sebilangan besar SPD mempunyai tiga mod operasi asas:

  • Menunggu
  • Melencong

Dalam setiap mod, arus mengalir melalui SPD. Namun, yang mungkin tidak difahami ialah jenis arus yang berlainan dapat wujud dalam setiap mod.

Mod Menunggu

Dalam keadaan daya normal ketika "daya bersih" dibekalkan dalam sistem pengedaran elektrik, SPD melakukan fungsi minimum. Dalam mod menunggu, SPD sedang menunggu tegangan berlebihan berlaku dan memakan sedikit atau tidak ada daya ac; terutamanya yang digunakan oleh litar pemantauan.

Mod Pengalihan

Setelah merasakan kejadian voltan sementara, SPD berubah menjadi Mod Pengalihan. Tujuan SPD adalah untuk mengalihkan arus impuls yang merosakkan dari beban kritikal, sekaligus mengurangkan magnitud voltan yang dihasilkan ke tahap yang rendah dan tidak berbahaya.

Seperti yang ditakrifkan oleh ANSI / IEEE C62.41.1-2002, arus sementara yang khas hanya berlangsung sepersekian kitaran (mikrodetik), pecahan masa jika dibandingkan dengan aliran berterusan sinusoidal 60Hz.

60hz dengan sementara

Besarnya arus lonjakan bergantung kepada sumbernya. Sebagai contoh, sambaran kilat boleh berlaku pada arus yang jarang berlaku yang melebihi magnitud melebihi beberapa ratus ribu amp. Walau bagaimanapun, dalam sebuah kemudahan, peristiwa sementara yang dihasilkan secara dalaman akan menghasilkan magnitud arus yang lebih rendah (kurang dari beberapa ribu atau seratus amp).

Oleh kerana kebanyakan SPD dirancang untuk menangani arus lonjakan yang besar, satu penanda aras prestasi adalah Rating Semasa Pelepasan Nominal (In) produk yang diuji. Selalunya keliru dengan arus kerosakan, tetapi tidak berkaitan, magnitud arus yang besar ini adalah petunjuk keupayaan tahan produk yang diuji.

Dari IEEE Std. C62.72: Peringkat Semasa Pelepasan Nominal menggunakan kemampuan SPD untuk mengalami lonjakan arus berulang (15 lonjakan total) dari nilai yang dipilih tanpa kerosakan, penurunan atau perubahan dalam prestasi voltan had yang diukur pada SPD. Ujian arus pelepasan nominal merangkumi keseluruhan SPD termasuk semua komponen pelindung lonjakan dan pemutus SPD dalaman atau luaran. Semasa ujian, tidak ada komponen atau pemutus yang diizinkan untuk gagal, membuka litar, rosak atau merosot. Untuk mencapai penarafan tertentu, tahap prestasi voltan had yang diukur SPD harus dipertahankan antara perbandingan ujian pra dan ujian pasca. Tujuan ujian ini adalah untuk menunjukkan kemampuan dan prestasi SPD sebagai tindak balas terhadap lonjakan yang dalam beberapa kes sangat teruk tetapi mungkin diharapkan pada peralatan servis, di dalam sebuah fasilitas atau di lokasi pemasangan.

Sebagai contoh, SPD dengan kapasiti arus pelepasan nominal 10,000 atau 20,000 amps setiap mod bermaksud produk harus dapat bertahan dengan selamat arus magnitud 10,000 atau 20,000 amp minimum 15 kali, dalam setiap mod perlindungan.

Senario Akhir Hidup

Dari IEEE Std C62.72: Ancaman terbesar terhadap kebolehpercayaan jangka panjang SPD mungkin bukan lonjakan, tetapi kelebihan voltan sesaat atau sementara yang berulang (TOV atau "bengkak") yang dapat terjadi pada PDS. SPD dengan MCOV - yang hampir dengan voltan sistem nominal lebih rentan terhadap voltan berlebihan yang boleh menyebabkan penuaan SPD pramatang atau akhir hayat pramatang. Peraturan praktis yang sering digunakan adalah untuk menentukan apakah MCOV SPD sekurang-kurangnya 115% dari voltan sistem nominal untuk setiap mod perlindungan tertentu. Ini akan membolehkan SPD tidak terpengaruh oleh variasi voltan normal PDS.

Walau bagaimanapun, selain daripada kejadian voltan yang berterusan, SPD dapat menua, atau merosot, atau mencapai keadaan akhir perkhidmatannya dari masa ke masa kerana lonjakan yang melebihi penilaian SPD untuk arus lonjakan, kadar kejadian kejadian lonjakan, tempoh lonjakan , atau gabungan peristiwa ini. Kejadian lonjakan berulang dengan amplitud yang ketara dalam jangka masa tertentu dapat memanaskan komponen SPD dan menyebabkan komponen pelindung lonjakan menjadi bertambah tua. Selanjutnya, lonjakan berulang boleh menyebabkan pemutus SPD yang diaktifkan secara termal beroperasi sebelum waktunya kerana pemanasan komponen pelindung lonjakan. Ciri-ciri SPD dapat berubah ketika mencapai keadaan akhir perkhidmatannya - sebagai contoh, voltan had yang diukur dapat meningkat atau menurun.

Dalam usaha untuk mengelakkan penurunan akibat lonjakan, banyak pengeluar SPD merancang SPD dengan keupayaan arus lonjakan tinggi sama ada dengan menggunakan komponen yang lebih besar secara fizikal atau dengan menghubungkan beberapa komponen secara selari. Ini dilakukan untuk mengelakkan kemungkinan penilaian SPD sebagai perhimpunan terlampaui kecuali dalam keadaan sangat jarang dan luar biasa. Kejayaan kaedah ini disokong oleh jangka hayat dan sejarah panjang SPD yang ada yang telah dirancang dengan cara ini.

Berkenaan dengan koordinasi SPD dan, seperti yang dinyatakan mengenai penilaian arus lonjakan, adalah logik untuk memiliki SPD dengan penilaian arus lonjakan yang lebih tinggi yang terletak di peralatan servis di mana PDS paling terdedah kepada lonjakan untuk membantu pencegahan penuaan dini; Sementara itu, SPD lebih rendah dari peralatan perkhidmatan yang tidak terdedah kepada sumber lonjakan luaran mungkin mempunyai penilaian yang lebih rendah. Dengan reka bentuk dan koordinasi sistem pelindung lonjakan yang baik, penuaan SPD pramatang dapat dielakkan.

Sebab-sebab kegagalan SPD yang lain termasuk:

  • Kesalahan pemasangan
  • Kesalahan penggunaan produk untuk penilaian voltan
  • Kejadian voltan berlebihan yang berterusan

Apabila komponen penindasan gagal, ia paling sering berlaku sebagai pendek, menyebabkan arus mula mengalir melalui komponen yang gagal. Jumlah arus yang tersedia untuk mengalir melalui komponen yang gagal ini adalah fungsi dari arus kerosakan yang ada dan didorong oleh sistem kuasa. Untuk maklumat lebih lanjut mengenai Arus Kesalahan, pergi ke Maklumat Berkaitan Keselamatan SPD.